[PDF] Étude et résolution exacte de problèmes de transport à la demande

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ACADÉMIE D"AIX-MARSEILLE

UNIVERSITÉ D"AVIGNON ET DES PAYS DE VAUCLUSE

THÈSE de DOCTORAT

Présentée pour obtenir le grade de Docteur en Sciences de l"Université d"Avignon et des Pays de Vaucluse Spécialité : Informatique, recherche opérationnelle et géomatique Étude et résolution exacte de problèmes de transport

à la demande avec qualité de service

par

Garaix Thierry

Soutenue publiquement le 13 décembre 2007 devant un jury composé de : M. Claramunt ChristopheProfesseur, IRENav, BrestRapporteur M. Cordeau Jean-FrançoisProfesseur, HEC Montréal Rapporteur M. Prins ChristianProfesseur, Univ. Technologies Troyes Rapporteur M. Artigues ChristianChargé de recherches (HDR), LAAS-CNRS, Univ. Toulouse Co-directeur M. Charre JoëlProfesseur, UMR ESPACE-CNRS 6012, UAPV Co-directeur M. Feillet DominiqueMaître de conférences (HDR), LIA, UAPV Examinateur M. Josselin DidierChargé de recherches, UMR ESPACE-CNRS 6012, UAPV Examinateur

Laboratoire d'Informatique

Université d'Avignon

École Doctorale 379 Temps, Espacce , Pouvoir et Culture

UMR ESPACE-CNRS 6012, LIA

2

Résumés des chapitres de la thèse

1. Dans ce chapitre introductif, nous présentons les systèmes de transport à la de-

mande (TAD) dans leur fonctionnement ainsi que la place qu"ils occupent dans le monde du transport de personnes. Les TAD sont abordés avec une vision élargie, en insistant sur les enjeux sociaux liés à l"évolution de la mobilité et les enjeux technologiques ou pratiques liés à la mise en place et la pérennisation de tels système. Nous évoquons également les thèmes de recherche liés aux TAD qui peuvent susciter l"intérêt des communautés de la géographie et de la recherche opérationnelle.

2. Nous présentons un état de l"art sur les problèmes de calcul de tournées de vé-

hicules principalement axé sur les problèmes de type ramassages et livraisons, et plus particulièrement liés au transport de personnes. Un intérêt particulier est porté aux méthodes de résolution exactes. Une introduction à une de ces mé- thodes est l"objet des sections

2.2et2.3. Il s"agit de fournir les bases pour appré-

hender la méthode de génération de colonnes qui décompose le problème en un problème maître, un programme linéaire généralement résolu à l"aide d"un sol- veur, et un problème esclave qui dans notre cas particulier prend la forme d"un Problème de Plus Court Chemin avec Contraintes de Ressources. Un algorithme de programmation dynamique générique résolvant le problème esclave est pré- senté. Il est utilisé, différemment adapté, tout au long de la thèse.

3. Après avoir défini formellement le problème étudié dans la section

3.1, nous pro-

posons dans la section

3.2une liste de critères de qualité de service, organisée

suivant le niveau à partir duquel ils sont mesurables : à partir d"une longue pé- riode de fonctionnement, d"une solution complète, d"une tournée, de la course d"un passager ou d"un simple tronçon de route. Nous donnons une modélisation formelle de ces critères lorsque cela nous semble pouvoir rentrer dans le cadre de notre étude plus concentrée sur les critères mesurables à une petite échelle.

Nous considérons dans la section

3.3l"optimisation des critères mesurables au

moins sur une tournée, dans le cas où un véhicule connaît exactement les lieux qu"il doit visiter ainsi que l"ordre dans lequel ils doivent être visités. Le problème se restreint alors à un problème d"horodatage de la tournée, et/ou de choix des itinéraires à emprunter entre chaques lieux consécutifs.

4. Dans la section

4.1, nous proposons une méthode de génération de colonnes pour

le problème de maximisation de la qualité de service présenté dans la section

3.1. Nous présentons les détails d"implémentation de la résolution des problèmes

3

maître et esclave, ainsi que les résultats obtenus sur des instances de PDPTW de lalittérature. Dans la section

4.2, nous intégrons à ce schéma trois critères de qualité

apporter à la méthode générale pour les prendre en compte. Ces trois critères sont la distance totale parcourue, le temps perdu en transport et le taux de remplissage des véhicules. L"optimisation suivant ces trois critère est évaluée sur des instances dérivées de celle de PDPTW de la littérature. Hormis l"intégration des critères de qualité de service, un des objectifs de ce chapitre est de calculer et de comparer les solutions obtenues en optimisant suivant différents critères. Afin que les résultats obtenus, en terme de qualité des tournées soient comparables et ne soient pas imputables à la méthode de résolution, une résolution exacte s"impose.

5. L"application produite pour le TAD du Doubs Central est le sujet de ce chapite.

Après un bref aperçu des besoins et de la solution proposée (section

5.1), nous

présentons la partie d"optimisation interne à l"application, dans la section

5.2. Le

noyau de calcul des tournées est une heuristique d"insertion. Nous comparons ses performances avec une adaptation de la méthode de génération de colonnes du chapitre 4.

6. Après avoir mis en place des outils permettant la visualisation et la manipulation

des tournées de véhicules dans leur environnement géographique, nous générons desinstances réalistescorrespondantà différentsscénariosde demandes de trans- port. Nous comparons ensuite les solutions obtenues à partir des trois critères de qualité de service que sont la distance totale parcourue, le temps perdu et le taux de remplissage. Pour finir dans la section

6.2, nous étudions comment évaluer la

sinuosité des tournées, vue comme un critère de qualité de service lié à la forme des tournées. 4

Table des matières

I Transport à la demande7

1 Enjeux, problématiques, méthodes9

1.1 Évolution des besoins de mobilité et TAD. . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.2 Mise en place d"un TAD et liens avec la Recherche Opérationnelle. . . . 16

2 Optimisation du calcul des tournées de véhicules : " Dial-A-Ride Problem»21

2.1 État de l"art. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.1.1 Problèmes de calcul de tournées de véhicules. . . . . . . . . . . . 21

2.1.2 DARP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2 Méthode de génération de colonnes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.1 Principes de la méthode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2.2 Contexted"utilisation-Calculdebornesinférieurespourdespro-

grammes linéaires en nombres entiers . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2.3 Paramétrages - Efficacité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.3 Plus court chemin avec contraintes de ressources (SPPRC). . . . . . . . 36

2.3.1 Modélisation d"un ESPPRC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.3.2 Résolution par programmation dynamique. . . . . . . . . . . . . 39

II Qualité de service pour le transport à la demande43

3 Critères de qualité de service45

3.1 Définition du problème étudié. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2 Critères de qualité de service. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.2.1 Évaluation sur un tronçon ou un arrêt. . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.2.2 Évaluation sur une course. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.2.3 Évaluation sur une tournée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2.4 Évaluation sur une solution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.5 Évaluation à long terme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.3 Maximisation de la qualité de service pour une séquence fixée d"arrêts à

visiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.1 Définition et modélisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.2 Cas du 1-graphe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.3.3 Cas dup-graphe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

5

4 Maximisation de la qualité de service71

4.1 Méthode de résolution par génération de colonnes. . . . . . . . . . . . . 71

4.1.1 Modélisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.1.2 Adaptation de la méthode générale de génération de colonnes. . 75

4.1.3 Adaptation de la résolution du problème esclave. . . . . . . . . 78

4.1.4 Résultats sur des problèmes standard de la littérature. . . . . . . 89

4.2 Intégration des critères de qualité de service. . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.2.1 La distance totale parcourue. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.2.2 Le temps perdu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.2.3 Le taux de remplissage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.2.4 Résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

III Étude de cas : Le TAD du Pays du Doubs Central125

5 L"application développée127

5.1 TAD à mettre en place. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.1.1 Description générale du TAD à réaliser. . . . . . . . . . . . . . . 127

5.1.2 Définition du problème de calcul de tournées. . . . . . . . . . . . 129

5.1.3 L"application TADOU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.2 Heuristique d"optimisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.2.1 Résolution par un algorithme d"insertion. . . . . . . . . . . . . . 134

5.2.2 Résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6 Visualisation des tournées143

6.1 Plate-forme de travail couplée à un SIG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

6.1.1 Structure de la plateforme Opensource. . . . . . . . . . . . . . . 144

6.1.2 Construction d"instances typées. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

6.1.3 Critères de qualité de service et modèles de flux. . . . . . . . . . 148

6.2 Étude de la sinuosité. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

6.2.1 Définition de quatre critères d"évaluation. . . . . . . . . . . . . . 151

6.2.2 Observations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Conclusion165

Liste des illustrations165

Liste des tableaux167

Bibliographie169

6

Première partie

Transport à la demande

7

Chapitre 1Enjeux, problématiques, méthodes

RÉSUMÉ:Dans ce chapitre introductif, nous présentons les systèmes de transport à la demande

(TAD) dans leur fonctionnement ainsi que la place qu"ils occupent dans le monde du transport

de personnes. Les TAD sont abordés avec une vision élargie, en insistant sur les enjeux sociaux

liés à l"évolution de la mobilité et les enjeux technologiques ou pratiques liés à la mise en place et

la pérennisation de tels système. Nous évoquons également les thèmes de recherche liés aux TAD

1.1 Évolution des besoins de mobilité et TAD

Les transports évoluent pour permettre d"aller plus loin, plus vite à un plus grand nombre d"individus. La quantité, la diversité et la longueur des flux de passagers aug- mentent. Ces dernières décennies, les transports ont pris de plus en plus de place dans notre quotidien. Le budget temps de chaque individu consacré au transport, longtemps

constant à 12%, est passé à 20% (constat fait entre 1994 et 2000 en Suisse); ce qui à pre-

mière vue contredit la loi de Zahavi (

Zahavi et Ryan,1980;Zahavi et Talvitie,1980) sur

le budget temps (et argent) constant. La journée " moyenne » a subi une désynchroni- sation temporelle avec par exemple une forte atténuation des pics de trafic, due entre autres à une souplesse de l"organisation du temps de travail accrue (

Bailly et Heurgon,

2001). Qu"en est-il de notre mobilité? et des enjeux économiques, politiques, sociaux,

écologiques liés à la gestion de ces flux? De nombreuses disciplines s"intéressent à ces sujets. Une partie des géographes étu- die l"interaction entre les réseaux de communication (transport ou autre) et les terri- toires, pour savoir dans quelle mesure les territoires forment les réseaux ou à quel ni- veau les réseaux (dé)structurent les territoires. Les sociologues s"interrogent sur l"im- pact d"une plus grande offre de mobilité dans notre société et sa fluidité. Est-ce que

cette offre de quasi-ubiquité est égalitaire et génère un gain de liberté? Ou bien, la so-

ciété se voit-elle imposer de nouvelles contraintes dans un système élitiste séparant des

9 Chapitre 1. Enjeux, problématiques, méthodes

autres ceux qui ont un accès facilité à la mobilité? Ils s"interrogent aussi sur les sources

d"un tel besoin de mobilité; s"il répond à un désir naturel de mouvement ou à des contraintes sociétales, comme par l"exemple la présence des habitats les moins onéreux loin des centres d"activités. Les industriels cherchent à proposer des produits basés sur de nouvelles technologies (GPS, Bluetooth, WI-FI...) satisfaisant ou anticipant les be- soins en mobilité. Les transporteurs rationalisent leur offre de transport et leur gestion des flux via des outils d"optimisation et d"aide à la décision généralement basés sur des développements informatiques. En effet, lorsqu"un système de transport ne peut plus être géré manuellement, notamment lorsque la quantité de demandes de mobilité autorise potentiellement le regroupement des passagers dans les véhicules, l"utilisa- tion de systèmes automatisés pour la recherche de solutions optimisées s"impose. Ces systèmes permettent de gérer des services au fonctionnement complexe soumis à de nombreuses contraintes. La recherche opérationnelle apporte ainsi une vision complé-

mentaire à celle de l"expert de terrain, grâce à l"introduction de théories et de concepts

éprouvés tels que la recherche du plus court chemin basée sur la théorie des graphes, les méthodes d"ordonnancement ou de programmation linéaire sous contraintes. Ces approches peuvent intervenir pour aider au choix des services (simulation préalable de fonctionnement du système), pour gérer le TAD (optimisation des tournées effectives) ou pour suivre son fonctionnement (audit et retour sur expérience). Le traité IGAT ré- digé sous de la direction de G. Finke ( Finke,2002) fournit un aperçu de ces différents aspects. Dans cette thèse, nous nous intéressons au transport collectif individualisé corres- pondant aux exigences modernes et plus particulièrement au calcul et à l"optimisation

des itinéraires via différents critères de qualité de service, à l"aide de méthodes adaptées

provenant de la recherche opérationnelle. Les individus recherchent des services de transport toujours plus souples, plus pro- ches de leurs besoins. Malgré de récents efforts, les transports publics ne répondent que partiellement à ces attentes. Si ceux-ci restent compétitifs sur certains segments (en milieu urbain dense sur sites propres), dans la majorité des cas la voiture personnelle reste la plus à même de répondre aux besoins de déplacements individuels (

Wiel,2002;

Dupuy,1999). Toutefois, sur ces segments où les véhicules privés sont les plus com-

pétitifs (zones péri-urbaines, rurales...), de par leur disponibilité et leur efficacité, des

solutions alternatives existent (

Castex et Josselin,2007).

Relativement mal connus du grand public et plutôt négligés par les transporteurs, les transports à la demande (TAD), datant des années 1970, font leur réapparition de- puis lafindesannées1990,à lafaveurde l"avènementdestechnologiesde l"information et de la communication ( Ambrosino et Nelson,2004) et de volontés politiques. Les TAD peuvent se définir comme : des " transports terrestres collectifs individualisés de per- sonnes, activés seulement à la demande ». On les trouve actuellement essentiellement dans les pays riches (États-Unis, Europe, Japon). Les figures

1.1et1.2illustrent le prin-

cipe de fonctionnement d"un TAD.

La figure

1.1représente les requêtes (flèches), les temps de trajet (pondération des

10

1.1. Évolution des besoins de mobilité et TAD

45
120

402010:00

10:00 13:00 12:00 FIG.1.1:Représentation du Transport à la Demande - Les demandes

d"arrivée souhaitée est indiquée à côté de la destination. Les cercles accotés à un véhi-

cule représentent les dépôts des véhicules.

8:309:55

9:10 11:10

11:5012:25

45
120

402010:00

10:00 13:00 12:00 9:40 10:00 FIG.1.2:Représentation du Transport à la Demande - Les Tournées La figure1.2représente des tournées de véhicules répondant à la demande. L"itiné-

raire de chaque véhicule est représenté en pointillés. L"heure de passage est indiquée

pour chaque lieu (ramassage ou livraison). Historiquement, si on excepte le taxi-brousse africain et le taxi collectif italien, ce mode de transport prend ses origines aux États-Unis et commence à y être envisagé comme un mode de transport public. Les TAD possèdent différentes définitions et ap- pellations qui correspondent à différentes philosophies allant du mode de transport palliatif - lorsqu"on ne peut pas faire autrement, par exemple dans des zones enclavées 11 Chapitre 1. Enjeux, problématiques, méthodes - à une véritable révolution dans le monde des transports en commun, remplaçant alors les traditionnels taxis et lignes de bus ou de tramways comme l"imagine le concept de

Modulobus (

Josselin et Genre-Grandpierre,2005). En 1966, les Américains votent un amendement sur le transport public qui débouche notamment sur un congrès en 1968, intitulé " Les transports de demain : de nouveaux systèmes pour les cités du futur »

1. C"est en 1970, que onze projets régionaux sont financés et permettent les premières

études et expériences d"envergure. Ces projets sont principalement axés sur des aspects opérationnels et les informaticiens furent logiquement les chercheurs les plus sollicités, les autres disciplines ne s"emparant véritable du phénomène que bien plus tardive- ment. Le manque d"études sur l"intégration des TAD dans la société peut expliquer en partie la perte de vitesse du développement des TAD dans les années 80. Les premiers TAD mis en place n"ont pas de vocation généraliste et concernent des niches d"usagers très restreintes, dont la plus représentative, encore à l"heure actuelle, est le transport de personnes à mobilité réduite (PMR) ou handicapées. Ce fut un des principaux déclencheur de la relance des recherches dans le domaine en 1990, suite à une loi américaine sur le développement des services aux PMR (" The American with Disabilities Act»). D"ailleurs, une des premières dénominations répandue pour ces sys- tèmes est "Paratransit Sytems». Afin d"élargir l"image de ces systèmes de transport et

d"insister sur leur caractère individualisé et parfois en temps réel, apparaît le terme de

"Dial-A-Ride», peu à peu abandonné au profit d"appellations plus générales comme "Demand Responsive Transport» et "Transport On-Demand» (ou "On-Demand Transpor- tation») suivant les communautés scientifiques. En France comme en Europe, les TAD se développent au gré des législateurs qui leur donnent un cadre juridique et surtout des crédits. En France, la Loi d"Orientation des Transports Intérieurs (LOTI)

2les définit

juridiquement comme " des services collectifs offerts à la place, déterminés en fonc-

tion de la demande des usagers, dont les règles générales de tarification sont établies à

l"avance et qui sont exécutés avec des véhicules dont la capacité minimale est fixée par

décret ». Ces systèmes ont une forte connotation de transport public et sont donc axés sur la demande, d"où le terme de "Transport À la Demande» et même les appellations de " (Mini)Bus À la Demande » permettant de les distinguer nettement des systèmes de co-voiturage ou de taxis collectifs ("car-pooling» et "car-sharing» en anglais) avec lesquels ils sont souvent assimilés par le grand public. Par la suite, nous emploierons la formulation " Transport À la Demande » (TAD) de façon générique dans le sens donné par Ascher(2002)(page 278) :"Le transport à la demande est une notion générique qui englobe a priori tous les services de transport dont tout ou partie ne s"effectue qu"à la demande expresse de ceux qui les utilisent» Les TAD tardent à se développer en France, et les États-Unis restent largement le pays le plus riche en TAD dans ses zones les plus fortement urbanisées, comme le montre la carte de la figure

1.3recensant les systèmes de transports intelligents (In-

telligent Transport Systems (ITS)en anglais) aux États-Unis. Leur implantation n"a cessé d"augmenter depuis les années 90 passant de 42,4 millions de voyages en 1991 à 73,2

1De l"américain : "Tomorrow"s transportation : new systems for the urban futur».

2La LOTI fut votée en 1982 et suivie d"un décret en 1985, puis précisée par la Loi sur l"Air et l"Utilisation

Rationnelle de l"Énergie (loi LAURE ou Lepage) du 30 décembre 1996. 12

1.1. Évolution des besoins de mobilité et TAD

millions en 2000. En France, plus de 600 services de TAD existent, couvrant plus de Traduction des noms des technologies utilisées en français pour les TAD (=DRT) Real time monitoring of vehicle components: Gestion des véhicules en temps réel. Automatic Vehicle Location: Localisation de véhicule de type GPS. Automated dispatching or control software: Logiciels de gestion. Magnetic Stripe Readers: Lecteurs de bandes magnétiques. FIG.1.3:Carte des Systèmes de Transport Intelligents aux États-Unis par type de technologie.

6000 communes. Ces services sont souvent développés pour maîtriser les dépenses de

transport (remplacement des lignes de bus déficitaires), assurer le droit à la mobilité à

certaines populations, captives, défavorisées (PMR, par exemple) ou proposer un mode de déplacement adapté aux zones de faibles densités, aux heures de frange de la jour-

née (matinées, soirées, nuits) ou aux évènements localisés, occasionnels ou récurrents.

Un dernier argument est celui de la lutte contre la pollution, puisque l"optimisation des tournées et le regroupement des voyageurs permettent en effet une économie poten- tiellement importante de véhicules roulant et donc d"émission de polluants atmosphé- riques ( Houzet et Josselin,2004). Dans sa thèse,Castex(2007) dresse un état des lieux des TAD en France. Il en ressort que les TAD sont souvent mis en place pour palier un déficit des transports en commun. Leur fonctionnement dépend fortement de la nature du service à rendre et des moyens financiers et techniques disponibles. Ainsi, à l"heure actuelle 70% des TAD français opérationnels sont très faiblement flexibles et jouent sur 13 Chapitre 1. Enjeux, problématiques, méthodes des ajustements de lignes fixes au niveau des horaires ou des ordres de passage. Parmi les autres TAD qui mettent en oeuvre des systèmes plus évolués de prise en compte de la demande, comme des outils informatiques de gestion et d"optimisation, moins de la moitié ont une gestion dynamique de la demande. Cependant, les TAD dynamiques sont un objectif idéal de fonctionnement pour une grande partie des TAD. Les TAD dynamiques représentent donc une part importante des travaux de recherche sur le sujet.

Dans le tableau

1.1, nous présentons les avantages (marqués par un plus) et les

inconvénients (marqués par un moins) de différents modes de transport - la voiture particulière (VP), le bus ou tramway ou métro, le taxi traditionnel, la bicyclette ou la marche à pied et le TAD, par rapport à des critères d"exigences exprimables par les dif- férents acteurs du transport. Bien sûr, on peut supposer que les aspirations des usagers sont incluses dans celles des Autorités Organisatrices de Transport (AOT, prescripteurs relayant la demande sociale via les élus) qui souhaitent le bien-être des citoyens, ainsi quecellesdesAOTle sont danscellesdestransporteurs quidoivent rendredescomptes aux AOT. 14

1.1. Évolution des besoins de mobilité et TAD

critère

VP BUS TAXI VÉLO TAD

U

économie

- cher + bon marché - très cher + bon marché + bon marché S rapidité + pas d"arrêts + voies réservées + voies réservées - trop physique + voies réservées A - subit le trafic - arrêts longs + pas d"arrêts + peu d"arrêts G choix des horaires + libre - horaires fixes + réservation + libre + réservation E précision - stationnement - arrêts fixes + porte à porte + porte à porte + porte à portequotesdbs_dbs10.pdfusesText_16

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